JPH0829989B2 - セラミツクス−金属接合体 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明はセラミックス部材と金属部材とを応力緩衝層
を介して接合一体化したセラミックス−金属接合体に関
する。

（従来の技術） 従来からセラミックス部材の長所を生かし、かつ欠点
を補うために、セラミックス部材に金属部材を接合して
複合部材として利用するということがよく行われてい
る。

このようなセラミックス−金属間の接合方法としては
種々の方法が知られており、例えばセラミックス部材表
面にモリブデンペーストでメタライズ処理した後、ニッ
ケルメッキを行なって金属部材をろう付けする方法や接
合すべき両者の間にチタンやジルコニウム等の活性金属
を添加して濡れ性を改善したろう材を挿入し加熱して接
合する方法等が知られている。

ところで、このようなセラミックス−金属接合方法に
おいて、金属部材として鋼材のようなセラミックス部材
と熱膨脹係数の差が大きいものを使用する場合には、加
熱接合後の冷却過程で接合界面にセラミックス部材と金
属部材との熱膨脹差に起因する熱応力が発生する。この
応力は接合部近傍のセラミックスに圧縮と引張の残留応
力分布として存在するが、このうち引張成分としての最
大応力値がセラミックスの引張強度を超える時にセラミ
ックス部材側に亀裂を生じさせ、接合体破壊の原因とな
っている。また、破壊に至らなくともこの引張応力は、
接合強度を低下させるという悪影響を及ぼす。

このような熱膨脹係数の差によりセラミックス部材側
に生じる亀裂等の不良の発生を防止する方法としては、
セラミックス部材と金属部材との間に銅やニッケルのよ
うな延性金属を応力緩衝層として介在させ、接合後の冷
却過程での熱応力発生時にこの延性金属を塑性変形させ
ることにより、この応力を吸収させ、低減または再分布
させる方法が知られている。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、前述したような延性金属を用いて熱膨
脹係数の差により生じる応力を緩和する方法において、
被接合物間に介在させる延性金属の厚さによって、その
応力緩和という効果に差が生じるという問題があった。

本発明者らの実験によれば、セラミックス部材として
窒化ケイ素部材、金属部材として鋼材（S45C），応力緩
衝層として銅を用いて、窒化ケイ素部材、銅、鋼材、
銅、窒化ケイ素部材の順に積層し、それぞれの接合界面
をAg−Cu−Ti系ろう材で接合して、応力緩衝層としての
銅の厚さを変化させた数種のセラミックス−金属接合体
をそれぞれ作製し、これらのセラミックス−金属接合体
について４点曲げ強度を測定したところ、第３図に示す
ような結果を得た。

同図からも明らかなように、応力緩衝層の厚さが４点
曲げ強度の最大値を示した厚さ0.2mmより厚くなるほど
４点曲げ強度が低下している。これは、接合後の応力緩
衝層内に弾性域および塑性変形の不十分な領域が残存し
ており、この弾性域および塑性変形の不十分な領域によ
ってセラミックス部材側にまだ残留応力が作用して、十
分な強度が得られないものと考えられる。

このように応力緩衝層の厚さによって得られるセラミ
ックス−金属接合体の強度が大きく変化してしまい、最
大強度を得るための応力緩衝層の厚さは、その接合面積
に大きく依存している。

このため、従来はこの応力緩衝層の厚さをその接合面
積による最適な値、すなわち十分に熱応力を緩和解放
し、かつ接合後に弾性域をできるだけ残存させないよう
な厚さを選択して接合していた。

しかし、この接合面積による応力緩衝層の厚さの最適
値も、被接合物および応力緩衝層の材質や接合時の条件
によって必ずしも一定していないという問題があった。

本発明はこのような問題点を解決するためになされた
もので、接合面積やその接合条件によらず熱膨脹係数の
差により生じる応力が十分に緩和されており、優れた強
度を有するセラミックス−金属接合体を提供することを
目的とする。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） 本発明のセラミックス−金属接合体は、セラミックス
部材と金属部材とが延性金属からなる応力緩衝層を介し
て加熱接合の後冷却されてなるセラミックス−金属接合
体において、 前記応力緩衝層が、冷却後に残存している前記応力緩
衝層内の弾性域および塑性変形の不十分な領域を塑性変
形させることにより、ほぼ均一な塑性域からなることを
特徴としている。

すなわち本発明は、セラミックス部材と金属部材とを
延性金属、例えば銅やニッケル等からなる応力緩衝層を
介して加熱接合した後に、接合後の応力緩衝層に残存し
ている残留応力を、その要因となっている弾性域および
塑性変形の不十分な領域を塑性変形させ、強制的に塑性
域を増加させることにより、熱膨脹係数の差による残留
応力が低減および再分布されたほぼ均一な塑性域からな
る応力緩衝層を有し、破壊強度が上昇したセラミックス
−金属接合体である。

本発明における接合後の応力緩衝層内の残留応力を低
減、再分布させる方法としては、残存する弾性域および
塑性変形の不十分な領域を塑性変形させること、例えば
接合後にセラミックス部材、応力緩衝層および金属部材
の積層面に直角に加圧することにより強制的に塑性変形
させる方法があり、また接合後の応力緩衝層近傍を局所
的に加熱する、例えばレーザーアニールする方法等によ
っても応力緩衝層の低応力変形が可能となるため、残留
応力の再分布ができる。

また、この場合の接合体の強度上昇には、他に緩衝金
属の加工硬化による成分も含まれている。

接合後の応力緩衝層に残存する弾性域を塑性変形させ
る方法のうち、前者の加圧方法を用いる場合の加圧力と
しては、加圧力を大きくするほど残存する弾性域を均一
に塑性変形させることができるが、金属部材の塑性変形
をおこすほどの圧力を加えるとある程度の圧力までは強
度の上昇につなかるが、圧力をあまり高くしすぎると逆
に強度の低下を生じる可能性があり、また接合体の全体
形状が変形してしまう等の不都合が生じるので、接合体
の全体形状が変形しないような圧力範囲内で適宜選択す
る。また、加圧操作を複数回繰返して行なうと強度が低
下する場合があるので、１回の操作である程度の圧力を
加えることが好ましい。

また、応力緩衝層近傍を局所的に加熱する場合には、
使用したろう材の軟化温度以下で、例えば300℃程度に
加熱することにより塑性変形させる。

本発明のセラミックス−金属接合体は、例えば次のよ
うにして製造される。

すなわちまずセラミックス部材、応力緩衝層および金
属部材のそれぞれの接合すべき面の間に適当なろう材を
介在させて積層し、加熱して接合した後、前述した加圧
方法や局所加熱方法により応力緩衝層内の残存する弾性
域および塑性変形の不十分な領域を塑性変形させること
により完成する。

（作用） 本発明のセラミックス−金属接合体において、接合後
に接合体の積層面への直角加圧や応力緩衝層近傍への局
所的な加熱により応力緩衝層内に残存する弾性域および
塑性変形の不十分な領域を強制的に塑性変形させ、残留
応力が十分に緩和、低域、再分布されているほぼ均一な
塑性域からなる応力緩衝層を有し、残留応力をさらに低
減しているので、従来、応力緩衝層の厚さを最適化しな
ければ得られなかった最大の破壊強度が、応力緩衝層の
厚さによらず得られる。

（実施例） 次に、本発明の実施例について説明する。

実施例１ まず、窒化ケイ素を主成分とする12mm×12mm×20mmの
２個のセラミックス部材１の間に、鋼材（S45C）からな
る12mm×12mm×3mmの金属部材２を介在させ、さらにセ
ラミックス部材１と金属部材２とのそれぞれの間に延性
金属として銅からなる12mm×12mm×1mmの応力緩衝層３
を介在させ、それぞれの接合すべき面の間に60μｍのAg
−Cu箔と３μｍのTi箔とをろう材４として挿入し、この
積層物を真空中、約830℃、６分間の条件で加熱接合し
た。次いで、室温まで冷却した後、このセラミックス−
金属接合体を第１図に示すように、3mm×4mm×40mmに加
工した。その後、同図における矢印の方向より、600MPa
の条件で60秒間加圧を行ないセラミックス−金属接合体
を作製した。

このようにして得たセラミックス−金属接合体の応力
緩衝層３の塑性域を腐食しエッチ・ピット試験により確
認したところ、ほぼ全域に均一に塑性変形で導入された
転位端に相当するエッチ・ピットが分布していた。

次に、この加圧変形させたセラミックス−金属接合体
の４点曲げ強度を測定した。その結果を第１表に示す。

なお、表中の比較例は、接合後に加圧操作を行なわな
い以外は実施例１と同一条件で作製したセラミックス−
金属接合体（比較例１）と、第３図における加熱接合の
みのセラミックス−金属接合体において、最大の４点曲
げ強度が得られた応力緩衝層の厚さが0.2mmのもの（比
較例２）である。

また、第２図は実施例１と同様にセラミックス−金属
接合体を作製し、その製造過程における加圧操作の加圧
力を50MPaから600MPaまで変化させたものの４点曲げ強
度を示したものである。

実施例２ 実施例１と同一素材および同一条件で、引張試験用の
直径6mmのセラミックス−金属接合体を作製し、引張強
さを測定した。その結果を第２表に示す。

なお、表中の比較例３は、加熱接合後の加圧操作を行
なわなかったものである。

実施例３ 実施例１と同一素材および同一形状のセラミックス部
材、金属部材および応力緩衝層を実施例１と同一条件で
加熱接合し3mm×4mm×40mmに加工した。次いでビーム径
10μｍの炭酸ガスレーザにより接合界面に近い応力緩衝
層近傍を約400℃に加熱した。

このようにして得た接合体の４点曲げ強度を測定し
た。その結果を第３表に示す。

なお、表中の比較例４は、接合後に加熱操作を行なわ
ない以外は実施例３と同一条件で作製したセラミックス
−金属接合体である。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明のセラミックス−金属接合
体によれば、接合後に応力緩衝層内に残存する弾性域お
よび塑性変形の不十分な領域を強制的に塑性変形させる
ことにより、残留応力が十分に緩和されたほぼ均一な塑
性域からなる応力緩衝層を有しているので、応力緩衝層
の厚さに関係なく破壊強度に優れたものとなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のセラミックス−金属接合体
を示す断面図、第２図は接合体の加圧により接合強度が
上昇することを示したグラフ、第３図はセラミックス−
金属接合体の応力緩衝層の厚さと４点曲げ強度の関係を
示したグラフである。 １……セラミックス部材 ２……金属部材 ３……応力緩衝層 ４……ろう材

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】セラミックス部材と金属部材とが延性金属
   からなる応力緩衝層を介して加熱接合の後冷却されてな
   るセラミックス−金属接合体において、 前記応力緩衝層が、冷却後に残存している前記応力緩衝
   層内の弾性域および塑性変形の不十分な領域を塑性変形
   させることにより、ほぼ均一な塑性域からなることを特
   徴とするセラミックス−金属接合体。